摘 要：

為了滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)源氣體的長時(shí)需求，設(shè)計(jì)了無線氣體傳感器及低功耗運(yùn)行策略。該傳感器集成甲烷、一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)模塊，以STM32L071CBT6為核心微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)，通過LoRa無線通信模塊將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至環(huán)網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上，提出了低功耗運(yùn)行策略及能源管理策略，并對(duì)該無線氣體傳感器開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該傳感器能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)甲烷、一氧化碳和二氧化碳濃度，檢測(cè)誤差均在敏感元件允許誤差范圍內(nèi)；按電池總?cè)萘? 000 mA·h計(jì)算，引入低功耗運(yùn)行策略和Autosleep電源管理機(jī)制后，用于環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)的續(xù)航時(shí)間可達(dá)142.9 d，相比持續(xù)運(yùn)行模式增加了378%。設(shè)計(jì)的無線氣體傳感器具有較好的應(yīng)用價(jià)值，其性能指標(biāo)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，可為智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及無線傳感器的設(shè)計(jì)提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

傳感器技術(shù)；環(huán)境監(jiān)測(cè)；無線氣體傳感器；低功耗策略；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：

TP212；X851

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02008

Application design of wireless gas sensors in environmental monitoring

BAN Ruifeng， SONG Jihong

（Taiyuan Aviation Instrument Company Limited， Taiyuan， Shanxi 030006， China）

Abstract：

To meet the requirements for long-term monitoring of hazardous gases in environmental monitoring systems， a wireless gas sensor with a low-power operation strategy was designed. The sensor integrated detection modules of methane， carbon monoxide， and carbon dioxide concentrations， with STM32L071CBT6 as the core microprocessor for data acquisition， processing， and storage. A LoRa wireless communication module was employed to transmit monitoring data to the industrial ring network. On this basis， low-power operation strategies and energy management mechanisms were proposed， and experimental verification was conducted on the wireless gas sensor. The results show that the sensor can monitor the concentrations of methane， carbon monoxide， and carbon dioxide in real-time and accurately， and the detection errors are within the allowable error range of the sensitive components; Based on a 6 000 mA·h battery capacity， the implementation of low-power operation strategies and Autosleep power management mechanism extends the monitoring duration to 142.9 days， representing a 378% increase compared to continuous operation mode. The designed wireless gas sensor demonstrates significant application value with competitive performance indicators， providing theoretical reference and practical guidance for intelligent environmental monitoring systems and wireless sensor design.

Keywords：

sensor technology; environmental monitoring; wireless gas sensors; low-power operation strategy; real-time monitoring

隨著工業(yè)智能化進(jìn)程的推進(jìn)，長時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境空氣質(zhì)量的需求日益迫切［1-2］。尤其在煤礦［3］、化工廠［4］、城市下水管網(wǎng)［5］等環(huán)境中普遍存在的可燃?xì)怏w或有害氣體，如甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，會(huì)影響生產(chǎn)與人員安全。目前的氣體檢測(cè)方式仍主要為人工巡檢或布置單點(diǎn)式有線傳感器［6］。人工巡檢方式監(jiān)測(cè)范圍小、難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。單點(diǎn)式傳感器依賴于工業(yè)總線，在復(fù)雜地形和移動(dòng)環(huán)境中，布線成本高且維護(hù)繁瑣。因此，當(dāng)前的氣體傳感器研究主要面向無線化和多功能化發(fā)展。在無線化方面，王璐［7］設(shè)計(jì)了一氧化碳無線傳感器，用于煤礦安全監(jiān)控。宋連洪［5］采用可充電鋰電池和太陽能互補(bǔ)供電的方式，設(shè)計(jì)了一種光電互補(bǔ)的無線激光甲烷傳感器。張佳樂等［8］設(shè)計(jì)了有害氣體安全監(jiān)控系統(tǒng)，通過無線傳感節(jié)點(diǎn)采集各類氣體傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行匯聚和監(jiān)控。在多功能化方面，陳宇等［9］設(shè)計(jì)了氣壓、溫度、濕度、一氧化碳及煙霧等多敏感元件融合的小型化傳感器。李佳怡［10］設(shè)計(jì)了多參數(shù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一氧化碳、二氧化氮等氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。DONG等［11］設(shè)計(jì)了車載環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器，對(duì)甲醛、PM2.5、一氧化碳和二氧化碳的濃度進(jìn)行檢測(cè)。然而，無線化要求傳感器沒有外部供電，而對(duì)多個(gè)敏感元件的多功能化集成會(huì)導(dǎo)致能耗的提升，從而降低無線傳感器的續(xù)航時(shí)間。因此，如何在傳感器設(shè)計(jì)上有效管理功耗以延長續(xù)航時(shí)間，是無線氣體傳感器發(fā)展中亟待解決的問題。

針對(duì)上述問題，本文基于多源傳感技術(shù)和低功耗設(shè)計(jì)理念，提出一種面向環(huán)境監(jiān)測(cè)的低功耗無線氣體傳感器設(shè)計(jì)方案，在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能耗的精細(xì)化管理，更加適應(yīng)礦井等復(fù)雜環(huán)境中的長期無線監(jiān)測(cè)需求。

1 無線氣體傳感器硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線氣體傳感器包含微控制器模塊、電源模塊、LoRa無線通信模塊，以及氣體傳感模塊，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

微控制器模塊采用STM32L071CBT6低功耗芯片作為核心處理器。外設(shè)資源配置，包括3組通用同步異步收發(fā)器（universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART）、1組集成電路總線（inter-integrated circuit， I2C）、1組串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）以及若干通用輸入輸出接口（general purpose input/output，GPIO）。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍支撐電路，包括供電、時(shí)鐘和復(fù)位等基礎(chǔ)電路單元。

電源模塊采用2節(jié)18650鋰離子電池作為電源，考慮各敏感元件對(duì)電壓的要求，為充分利用電池電量并提高電源效率，使用Buck-Boost升降壓電路進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)［12］。

考慮環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用中傳感系統(tǒng)通信距離長、數(shù)據(jù)量較小、延時(shí)要求低、待機(jī)時(shí)間長、數(shù)據(jù)可靠性高的要求［13］，本文選擇采用LoRa無線通信方式將氣體傳感器接入工業(yè)環(huán)網(wǎng)。LoRa技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中具有三方面優(yōu)勢(shì)：1）采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和前向糾錯(cuò)編碼，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力；2）具有超高接收靈敏度，可以穿透建筑物、地下管道等障礙物實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信；3）其低功耗特性特別適合電池供電的無線傳感應(yīng)用。本文采用基于SX1268射頻芯片的LoRa無線通信模塊，支持空中喚醒、載波監(jiān)聽、通信密鑰、分包長度自定義等功能，深度休眠下整機(jī)功耗低至約2 μA，最長通信距離可達(dá)16 km。雖然LoRa技術(shù)在高速數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景下帶寬受限，且網(wǎng)絡(luò)容量受到擴(kuò)頻因子的限制，但這些特點(diǎn)使其更適用于低頻率采樣的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，以監(jiān)測(cè)甲烷、一氧化碳和二氧化碳3種危險(xiǎn)源氣體的濃度為例，設(shè)計(jì)了融合3種氣體檢測(cè)能力的氣體傳感模塊，包含1個(gè)甲烷敏感元件、1個(gè)一氧化碳敏感元件和1個(gè)二氧化碳敏感元件。甲烷敏感元件選用的非分散紅外（non-dispersive infrared，NDIR）型元件，以紅外吸收原理為基礎(chǔ)，具備良好的線性檢測(cè)范圍和抗干擾能力。礦井等環(huán)境中甲烷的濃度監(jiān)測(cè)關(guān)系到礦井安全，需要高靈敏度和準(zhǔn)確度。選用的NDIR傳感器能夠以1 Hz的測(cè)量頻率，在0～0.05（體積分?jǐn)?shù)，下同）量程的甲烷檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)±3%滿量程（full scale，F(xiàn).S.）的誤差控制，分辨率達(dá)到5×10-5，滿足高精度的要求?；诠虘B(tài)聚合物電化學(xué)檢測(cè)原理的元件能以相對(duì)較低的功耗在低濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出高靈敏度，適用于監(jiān)測(cè)一氧化碳等對(duì)人體健康有嚴(yán)重威脅的有毒氣體，其分辨率為10-7，測(cè)量范圍為0～10-4，全量程測(cè)量誤差為5%，可精準(zhǔn)捕捉一氧化碳的濃度變化。二氧化碳敏感元件選用熱導(dǎo)式測(cè)量元件，基于導(dǎo)熱性原理工作，適合寬量程范圍檢測(cè)，具有16位分辨率，精度為5×10-3，量程為0～100%。熱導(dǎo)式傳感器的誤差相對(duì)較大，尤其受環(huán)境溫度和濕度的影響顯著。在大多數(shù)環(huán)境應(yīng)用中，二氧化碳的濃度相對(duì)穩(wěn)定且較高，因此對(duì)其監(jiān)測(cè)的精度需求低于甲烷和一氧化碳的監(jiān)測(cè)需求。各氣體敏感元件選型如圖2所示。

考慮到環(huán)境氣體檢測(cè)可以間斷運(yùn)行以降低功耗，設(shè)計(jì)了一種可控開關(guān)電路，如圖3所示。EN端連接微控制器引腳，Power端連接氣體敏感元件電源引腳。當(dāng)EN端輸出高電平時(shí)，NMOS管Q2導(dǎo)通，繼而使PMOS管Q1導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對(duì)元件的3.3 V供電；當(dāng)EN端輸出低電平時(shí)，NMOS管Q2關(guān)斷，停止對(duì)敏感元件的供電。

傳感器的工作流程如圖4所示。

首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，由微控制器依次采集各敏感元件的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成甲烷、一氧化碳、二氧化碳的濃度數(shù)值；其次，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，將處理完成的數(shù)據(jù)、時(shí)間信息、位置信息以及系統(tǒng)工作信息組成數(shù)據(jù)幀，并進(jìn)行本地存儲(chǔ)；然后，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，利用LoRa無線通信模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至云端服務(wù)器平臺(tái)。在數(shù)據(jù)上傳之后，通過一種低功耗軟件策略，根據(jù)氣體濃度值的變化情況，自主確定傳感器數(shù)據(jù)采集的頻率，以優(yōu)化傳感器的功耗。

2 低功耗軟件策略

功耗是決定無線氣體傳感器能否長期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此，需要確保系統(tǒng)在滿足實(shí)時(shí)性目標(biāo)的前提下降低功耗。本文從運(yùn)行策略和電源管理策略2個(gè)方面進(jìn)行能耗優(yōu)化。

2.1 運(yùn)行策略

氣體傳感器檢測(cè)的對(duì)象一般是緩慢且連續(xù)變化的物理量，其數(shù)據(jù)變化特征包括：數(shù)據(jù)恒定不變、數(shù)據(jù)漂移變化、數(shù)據(jù)遞增變化和數(shù)據(jù)遞減變化。對(duì)于無線氣體傳感器，從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的角度分析，其通信部分的能耗呈現(xiàn)出明顯的二元特性［14］，即傳輸數(shù)據(jù)時(shí)主要為動(dòng)態(tài)能耗，能耗較大，無線通信模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中消耗大量電能；未傳輸數(shù)據(jù)時(shí)主要為靜態(tài)能耗，能耗較小，此時(shí)，傳感器主要維持基本運(yùn)行和待機(jī)狀態(tài)。

基于上述能耗特征，制定相應(yīng)的能量管理策略：1）當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)呈現(xiàn)恒定不變或漂移變化時(shí)，減少數(shù)據(jù)傳輸頻率，以有效減少動(dòng)態(tài)能耗的產(chǎn)生；2）當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)呈現(xiàn)遞增或遞減變化時(shí)，正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提高傳感器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)靈敏度，確保及時(shí)捕捉到重要的數(shù)據(jù)變化。

上述策略通過以下3步實(shí)現(xiàn)。1）使用滑動(dòng)窗口法結(jié)合時(shí)間序列分析技術(shù)來判斷數(shù)據(jù)變化類型。具體而言，采用長度為N的滑動(dòng)窗口，計(jì)算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和線性回歸斜率。通過設(shè)定閾值來判斷數(shù)據(jù)是否恒定（標(biāo)準(zhǔn)差小于閾值）、漂移（標(biāo)準(zhǔn)差大于閾值但小于另一閾值，且斜率接近于0）、遞增或遞減（斜率大于或小于特定閾值）。上述閾值均通過人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。2）根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)變化類型動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣率。在數(shù)據(jù)恒定或緩慢漂移時(shí)，采樣率逐步降低至最低限度（每10 min進(jìn)行1次）；當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)開始快速變化時(shí)，采樣率迅速提高（每10 s進(jìn)行1次），以捕捉重要變化。3）在數(shù)據(jù)傳輸前，采用差分編碼結(jié)合Huffman編碼的壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。差分編碼利用相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)性，而Huffman編碼進(jìn)一步壓縮差分后的數(shù)據(jù)。這種方法可以顯著減少傳輸數(shù)據(jù)量，從而降低動(dòng)態(tài)能耗。

2.2 電源管理策略

為進(jìn)一步優(yōu)化能耗，通過周期性檢測(cè)方式降低運(yùn)行能耗。當(dāng)完成一次傳感器檢測(cè)及傳輸任務(wù)時(shí)，停止所有任務(wù)，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，直至下次檢測(cè)任務(wù)被喚醒。

本文引入Autosleep的電源管理機(jī)制，將電源管理與休眠模式相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下的自動(dòng)節(jié)能［15］。具體地，在系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)后，應(yīng)用程序釋放所有電源鎖，通過動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)（dynamic frequency scaling，DFS）機(jī)制降低頻率［16］，以減少功耗。在空閑時(shí)間超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉通信模塊、振蕩器、晶振、鎖相環(huán)、門控?cái)?shù)字內(nèi)核時(shí)鐘的電源，并暫停微控制器工作以使系統(tǒng)整體功耗維持在較低水平，從而降低監(jiān)測(cè)過程中的平均能耗。上述策略通過以下4個(gè)過程實(shí)現(xiàn)。

1）使用低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘（real-time clock，RTC）作為喚醒源，以確定休眠喚醒機(jī)制。RTC在休眠狀態(tài)下仍然工作，但功耗極低。通過編程RTC的報(bào)警寄存器，可以在預(yù)設(shè)時(shí)間準(zhǔn)確喚醒系統(tǒng)。

2）采用基于工作負(fù)載的動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)算法。根據(jù)微控制器單元（microcontroller unit， MCU）的利用率監(jiān)控結(jié)果，當(dāng)利用率低于30%時(shí)，逐步降低CPU頻率；當(dāng)利用率超過70%時(shí)，逐步提高頻率。頻率調(diào)節(jié)步長為當(dāng)前頻率的10%，以平滑過渡。

3）利用片上電源管理單元實(shí)現(xiàn)各模塊的精細(xì)化供電控制。通過I2C接口配置電源管理單元，以單獨(dú)控制每個(gè)模塊的電源狀態(tài)。在進(jìn)入休眠模式時(shí)，按預(yù)設(shè)順序關(guān)閉非必要模塊的供電。

4）基于歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)入休眠狀態(tài)的時(shí)間閾值。根據(jù)過去24 h內(nèi)記錄數(shù)據(jù)的變化頻率，計(jì)算平均變化間隔。休眠閾值設(shè)定為該間隔的1/3，但不小于最小允許值（如10 s）且不大于最大允許值（如5 min）。

不同的電源管理機(jī)制在節(jié)能效果和應(yīng)用場(chǎng)景中具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。無電源管理模式的優(yōu)勢(shì)在于其實(shí)現(xiàn)簡單，不需要額外的功耗控制策略。這種模式下，傳感器始終處于激活狀態(tài)，能夠快速響應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化，適合需要持續(xù)工作的場(chǎng)景。然而，其主要缺點(diǎn)是功耗較高，對(duì)于要求較長時(shí)間監(jiān)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景，其效能有限。相比之下，DFS機(jī)制通過動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器的工作頻率，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的變化適時(shí)降低功耗，在低負(fù)載情況下具有顯著的優(yōu)勢(shì)。DFS機(jī)制能夠在間歇性監(jiān)控任務(wù)或低負(fù)載環(huán)境中有效降低功耗，但其在高負(fù)載或頻繁數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景中的效果較為有限。

Autosleep策略是在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，顯著降低待機(jī)功耗。此策略的最大優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在長時(shí)間無人值守的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中，極大地延長系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，特別適用于數(shù)據(jù)變化較慢或采樣間隔較長的應(yīng)用場(chǎng)景。組合策略（DFS+Autosleep）通過將動(dòng)態(tài)頻率調(diào)節(jié)與自動(dòng)睡眠相結(jié)合，提供了最優(yōu)的功耗管理方案。在負(fù)載變化較大的環(huán)境中，組合策略能夠在低負(fù)載時(shí)通過DFS降低功耗，而在數(shù)據(jù)更新較少時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，極大地優(yōu)化了功耗使用。這種組合策略適合負(fù)載波動(dòng)較大且數(shù)據(jù)傳輸頻繁的場(chǎng)景，能夠在確保傳感器性能的同時(shí)，最大化延長系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間。

3 傳感器性能測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

本測(cè)試在控制環(huán)境下進(jìn)行，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。測(cè)試環(huán)境溫度保持在20～25 ℃，相對(duì)濕度控制在30%～70%，以模擬典型工業(yè)環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境條件。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)氣樣的配制和使用均遵循國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》［17］，確保氣體濃度的準(zhǔn)確性與代表性。

3.2 檢測(cè)精度測(cè)試

進(jìn)行甲烷濃度檢測(cè)，并計(jì)算檢測(cè)誤差。采用標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣樣，體積分?jǐn)?shù)分別為0.005 0、0.015 0、0.030 0，通過氣量計(jì)混合得到5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)點(diǎn)：0.005 0、0.010 0、0.015 0、0.022 5、0.030 0，檢測(cè)數(shù)值上下浮動(dòng)不超過1%后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。檢測(cè)分辨率為5×10-5，檢測(cè)誤差皆在甲烷傳感器允許誤差范圍之內(nèi)。

對(duì)低濃度一氧化碳進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算檢測(cè)誤差。選用體積分?jǐn)?shù)分別為2.00×10-5、2.60×10-5、1.75×10-4的標(biāo)準(zhǔn)一氧化碳?xì)怏w，直接進(jìn)行檢測(cè)，傳感器數(shù)值上下浮動(dòng)不超過1%后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。檢測(cè)分辨率為10-6，檢測(cè)誤差隨濃度的增加而減小。

隨后，進(jìn)行二氧化碳濃度的檢測(cè)，并計(jì)算檢測(cè)誤差。選用體積分?jǐn)?shù)分別為0.01、0.02、0.05、0.10、0.15的標(biāo)準(zhǔn)二氧化碳?xì)怏w，待傳感器檢測(cè)數(shù)值上下浮動(dòng)不超過1.0%后，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。檢測(cè)分辨率為5×10-3，檢測(cè)誤差皆在允許誤差5.0%（F.S.）范圍之內(nèi)。

3.3 功耗測(cè)試

先測(cè)試各模塊在持續(xù)運(yùn)行下的能耗，進(jìn)而測(cè)試在低功耗軟件策略下的能耗，以分析能耗優(yōu)化效果。

使用直流穩(wěn)壓電源和高精度數(shù)字電壓電流表測(cè)試無線氣體傳感器的主控模塊的功耗，結(jié)果如圖5所示。供電電壓為4.2 V。在無外接模塊、無負(fù)載情況下，主控模塊平均電流約為8 mA。

甲烷傳感模塊持續(xù)采集氣體濃度數(shù)據(jù)的功耗圖如圖6所示。初始化時(shí)的最大電流約為9.3 mA，采集的初始化時(shí)間約為17 ms。連續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)的電流約為8.8 mA。

一氧化碳傳感模塊持續(xù)采集氣體濃度數(shù)據(jù)的功耗圖如圖7所示。初始化的最大電流約為11.5 mA，采集一氧化碳的初始化時(shí)間約17 ms，連續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)的電流約為10.0 mA。

二氧化碳傳感模塊持續(xù)采集氣體濃度數(shù)據(jù)的功耗圖如圖8所示。該敏感元件需要循環(huán)檢測(cè)，初始化及等待檢測(cè)時(shí)的電流約為10.5 mA，檢測(cè)時(shí)的電流約為42.0 mA。

由圖6—8可知，若主控模塊持續(xù)運(yùn)行，每10 s運(yùn)行1次檢測(cè)，按電池總?cè)萘? 000 mA·h計(jì)算，該傳感器只可運(yùn)行29.9 d。由于檢測(cè)時(shí)間較短，其能耗主要來源于主控模塊。進(jìn)一步，在引入低功耗軟件策略后傳感器執(zhí)行一次檢測(cè)和傳輸任務(wù)時(shí)的功耗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖9所示。在進(jìn)行檢測(cè)和傳輸任務(wù)之后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)能耗約為1.05 mA。

每10 s運(yùn)行1次檢測(cè)，一個(gè)周期內(nèi)的平均能耗約為1.75 mA。按電池總?cè)萘? 000 mA·h計(jì)算，在引入低功耗策略后，該傳感器可運(yùn)行142.9 d，相比持續(xù)運(yùn)行模式，續(xù)航時(shí)間增加了378%，具有極好的穩(wěn)定性。

表4列出了不同能源管理機(jī)制的性能和測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)每種機(jī)制的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

3.4 與市售產(chǎn)品的性能對(duì)比

為進(jìn)一步分析所設(shè)計(jì)傳感器的性能，將其與市售的模塊化甲烷、一氧化碳、二氧化碳傳感器進(jìn)行性能比較。一些市售氣體傳感器模塊的精度和功耗參數(shù)如表5所示。 從表中數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計(jì)的傳感器選用的敏感元件精度均較高，因此在精度上與市售傳感器基本持平。

大部分市售傳感器功耗較高，且缺少內(nèi)置無線傳輸功能，因此在需要長時(shí)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景中應(yīng)用受到限制。本文設(shè)計(jì)的傳感器的平均運(yùn)行能耗只約有7.35 mW，并集成了LoRa無線模塊，能夠在長距離環(huán)境中穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)，適合礦井和工業(yè)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需求。無論是對(duì)于市售的單一氣體傳感器還是一體式傳感器，本文設(shè)計(jì)的低功耗無線氣體傳感器均具有更低能耗，這表明其具有較強(qiáng)的續(xù)航競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。

本文提出的低功耗設(shè)計(jì)方案可以推廣應(yīng)用到溫度、濕度、光照、振動(dòng)等其他類型的環(huán)境參數(shù)傳感器中，實(shí)現(xiàn)多種傳感器的低功耗運(yùn)行。模塊化的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)便于更換不同類型的敏感元件，可快速構(gòu)建適用于不同監(jiān)測(cè)需求的傳感系統(tǒng)。所采用的LoRa遠(yuǎn)距離通信方案同樣適用于農(nóng)業(yè)、水利、氣象等領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

4 結(jié) 語

針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中氣體傳感器功耗高、續(xù)航能力不足的問題，本文設(shè)計(jì)了一種集成多種氣體檢測(cè)功能的低功耗無線氣體傳感器及其運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)了在對(duì)環(huán)境氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)減少能源消耗，具體結(jié)論如下。

1）所設(shè)計(jì)的無線氣體傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷、一氧化碳和二氧化碳3種氣體的同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)誤差分別為2.9%、2.0%和2.0%，均在敏感元件的允許誤差范圍內(nèi)，滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

2）通過引入Autosleep與DFS策略，傳感器的平均運(yùn)行功耗降至7.35 mW，續(xù)航時(shí)間提升378%，顯著提高了能源利用效率。

3）基于LoRa無線通信和低功耗MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的可靠傳輸和低功耗運(yùn)行的統(tǒng)一，為環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)路徑。

該方案尚存在不足之處：首先，傳感器的抗干擾能力有待提高，環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)精度的影響需要進(jìn)一步研究，如在障礙環(huán)境中的傳感器部署問題［18］；其次，監(jiān)測(cè)氣體種類較為有限，難以滿足復(fù)雜環(huán)境下的多參數(shù)監(jiān)測(cè)需求。今后，將重點(diǎn)圍繞擴(kuò)展監(jiān)測(cè)氣體種類、探索新型能源技術(shù)、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法和實(shí)現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)等方向展開研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

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收稿日期：2024-09-14;修回日期：2024-12-30；責(zé)任編輯：王海云

基金項(xiàng)目：山西省專利轉(zhuǎn)化專項(xiàng)項(xiàng)目（202305005）

第一作者簡介：

班瑞鳳（1982—），女，山西大同人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事傳感器技術(shù)方面的研究。E-mail： 122805830@qq.com

班瑞鳳，宋繼紅.

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